纳米金棒、上转换发光纳米材料和相干非线性拉曼散射成像等技术凭着他们独特的光学性质和优势在生物光子学领域尤其是光学生物成像分支有着广泛的应用研究,它们是当前国际学术界的研究热点。在这种大的环境背景下,本论文以高对比度的光学生物成像为研究对象,以几种高信噪比探测技术：纳米金棒作为细胞成像和组织漫射光成像对比剂、优化改善超低背景噪声的上转换成像技术的激发模式和优化改良相干非线性拉曼散射成像技术为主要内容开展了以下各项工作。用种子法合成了多种尺寸的纳米金棒并进行了透射电镜、消光光谱、表面电位等表征测试。基于一步法对纳米金棒表面进行了多孔二氧化硅结构的包覆,研究并讨论了表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵的含量(溶液中和表面上)对二氧化硅层包覆的影响。多孔二氧化硅结构包覆的纳米金棒具有很高的化学稳定性和生物兼容性。对二氧化硅包覆的纳米金棒表面进行了生物键连然后将其作为对比剂应用于特异性标记的乳腺癌细胞的暗场散射光学显微成像。将近红外吸光的纳米金棒嵌入到组织中进行高对比度的漫射光成像实验,然后利用逆问题进行组织吸收系数的三维重构。将纳米金棒作为多功能纳米平台同时应用于漫射光成像(作为对比剂)和光热治疗(作为治疗剂)研究。基于正常组织中含有肿瘤块的计算模型进行了光场/温度场混合场计算,同时对剂量控制(激光照射功率密度、治疗持续时间等)进行了详细的分析和讨论。研究了上转换发光纳米颗粒应用于离体细胞成像、老鼠活体成像和人体组织成像中可能存在的激光照射过热、成像深度低等突出问题,并通过合理的实验设计和系统的理论计算充分验证了在实际成像过程中由于细胞培养液和动物组织对980nm激光的剧大吸收而导致的激光加热损耗组织和成像深度有限的问题。提出915nm为上转换纳米颗粒的新型激发波段,并计算了上转换成像中激发光场／温度场/荧光光场混合场分布,结合实验共同验证了该新型激发模式具有低热照射、深度成像等优势。合成并表面修饰了具有高亮度、生物适用性、生物靶向性的上转换纳米颗粒,并将其成功应用于特异性标记的乳腺癌细胞成像；合成了近红外发光的上转换纳米颗粒,并成功将其应用于了老鼠活体成像。利用光子晶体光纤和飞秒激光器搭建了相干反斯托克斯拉曼和受激拉曼的光学生物成像系统。凭借相干拉曼信号的相干性特征,基于低数值孔径物镜实现了较长距离的相干拉曼散射成像系统。基于超连续谱的啁啾特征通过调整脉冲时间延迟实现了快速、准确的相干拉曼散射光谱成像。成功搭建了基于染料罗丹明6G的受激荧光系统。